离心式空气压缩机基础知识：解读制造商性能曲线
总的来说，本文重点介绍离心式空气压缩机的工作原理，并对其进行简单的讨论，以了解其应用局限性和机会。一个主要目标是定义经常混淆的术语，如“上升到喘振”、“石墙和喘振”、“质量流”和“动态压缩”。本文的目的不是对离心式和其他空气压缩机的各种类型和设计进行工程讨论，而是，解读运行曲线和理解一般性能的指南。
操作基础：正位移与动态压缩
最常见的空气压缩机行业的今天是容积式旋转螺丝,旋转叶片,往复,滚动,进气压缩空气的机械被困在压缩室,然后机械地减少体积提高压力和温度(即活塞式液压缸)。
在容积式压缩机中，所需的工作功率主要由流量（cfm）驱动，受排放压力或psig的影响较小（表1）。正排量性能曲线通常比离心性能曲线更垂直。这将在可用马力下产生相对恒定的cfm。
表1：排放压力的影响（不包括卸载类型或部分负载控制）
另一方面，离心式空气压缩机可以在一定的流量和排放压力范围内工作。运行性能曲线由所选的内部部件形成，并受运行条件(如进口压力、进口温度、冷却水温度和排放压力)的影响。
图1为离心式压缩机运行阶段的动态压缩过程，在流动受到限制的情况下，速度和动能转化为压力和温度。这个过程的另一个术语是质量流量-在额定压力(psig)下提供额定cfm流量的功率需求是由空气的重量决定的(一些制造商也使用术语“密度”)。
| 图1：动态压缩离心操作阶段 | |
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外界条件如何影响动态压缩(或离心压缩机)
当不考虑内部设计部件时，动态压缩过程的功率需求基本上取决于通过机器的空气的重量。忽略部分负载控制任何其他将增加或减少空气的重量，通过阶段最终流动，压力将直接影响输入功率。
增加入口温度将减少总固定气流，并向用户输送较少的可用空气(scfm)(图2a)，从而降低输入功率需求(图2b)。较冷的入口温度将产生相反的效果。
| 图2a：进气温度对排气压力的影响 | 图2b：进气温度对功率的影响 |
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降低入口压力（海拔高度、压缩机室负压、入口过滤器脏污/尺寸不合适）将减轻流经各级的压缩气流（cfm）（图3a）。这也导致在输入功率需求降低的情况下可用空气（scfm）减少。较高的进口压力将产生相反的效果。
提高冷却水温度将再次对各阶段的压缩空气产生相同的“减轻”效果（图4）。它还将降低功率要求，就像以前的情况一样。
| 图3a：入口压力的影响 | 图3b：冷却水温度的影响 |
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这些条件的实际净效应取决于设计的实际性能曲线和气动特性。这种情况也适用于固定轮、叶轮、扩散器或速度压缩机级的排气压力。
增加排放压力通常会提高通过各级的压缩空气流的重量，从而在相同的输入功率下减少可用空气（scfm）的流量。降低压力通常会在相同或相似的功率输入下允许更多的流量。本文后面将介绍特定于机器的实际性能。
了解离心制造商的工作曲线
现在，我们已经基本了解了正排量和动态压缩之间的区别，我们可以开始解读离心压缩机的工作曲线。以下章节中的数据将在这些计量单位中进行讨论：
- 满负荷和部分负荷下的标准立方英尺/分钟（scfm）或Nm3/hr
- 输入功率（千瓦）
- 压力，单位为psig或bar（仅使用psia将icfm/acfm转换为scfm）
降低进气重量或质量的任何活动，如较高的温度，降低过滤器后的压力，并相应地降低质量流量、scfm和输入功率。图10提供了典型离心式空气压缩机性能曲线的示例。
图4：典型离心性能曲线
如图4所示，典型的离心性能曲线提出了一些需要解决的新项目，包括“下降”、“上升到浪涌”和“石墙”
是什么导致了暴涨？
工业上使用的离心式压缩机是一种动态压缩机，叶轮快速旋转，加速气流。然后空气通过扩散器部分，该部分通过流动阻力将速度压头转换为压力。
在动态或质量流量压缩机（如离心式压缩机）中，压缩空气的功率基本上是空气重量、流量、体积、温度和压头或压力的函数。
一旦设计了叶轮并设定了速度，一磅空气通过叶轮时将吸收的能量就建立起来。这是真实的，尽管入口温度、压力水平、节流等发生变化。一磅空气的温度和压力将以立方英尺为单位变化。
因此，离心式压缩机将在冬季或夏季以恒定的能量消耗输送一磅空气。待压缩的实际进气量将随压力和温度的进气条件而变化一段时间。
由于产生的压缩空气比需要的多，离心式压缩机必须卸载或输出较少的空气，以避免压力过大。每个离心式压缩机都有一个最大压力，它可以达到特定的进口条件，这将导致气流逆转和波动，关闭压缩机，以避免由此产生的振动损坏。
浪涌应避免(包括小浪涌，因为这些不仅会产生潜在的破坏性振动，而且还会导致眼间隙处的温度升高)。
定义“上升到浪涌”、“下降”和“石墙”
然而，这是对喘振动作的过度简化，因为每个机组都有喘振极限或最大压力的上升。Turndown是压缩机在不发生喘振的情况下可以运行的低于满载流量的百分比。例如，15%的调节率意味着装置可以在85%或更高的流量下运行，而不会出现喘振。在更大的变幅下，它将接近或处于浪涌状态。
在某一点上，当排放压力下降，通过的气流在满负荷时增加时，物理限制将不允许更多的空气通过阶段-这一点被称为石墙。如果在该点或该点以上继续运行，可能会导致高流速和更大的压差，从而导致叶轮无法完全填满叶片区域，并会发生气穴状作用，从而产生另一种具有破坏性振动的喘振。
在喘振状态下操作会产生高振动，如果不消除，可能会对设备的机械完整性产生负面影响，导致过早故障。大多数离心机都配备了振动监测器，为了避免这种情况，离心机会自动关闭。
随着压力下降，压缩机接近石墙，流量的增加变得非常小，下降的排放压力继续减轻通过各级的气流，从而降低输入功率。许多离心机最节能的地方就在石墙前。
利用制造商的业绩曲线来发展预期的运营效率
通过对离心式空压机性能曲线术语的理解，您可以根据制造商的性能曲线制定可预测和可能的实际预期运行效率。图11提供了一个示例制造商性能曲线的表示。
然而，在深入研究曲线之前，需要概述以下几点：
- 在没有已知操作和现场条件的情况下，假设标准CAGI操作条件为68°F、14.5环境压力和0%相对湿度，现场条件为95°F、14.5 psia和60%相对湿度。
- 压力（psig）是明确的。
- 流量（cfm）不清楚-当未说明scfm时，很可能是acfm或icfm。
- 功率单位为BHP（压缩机输入轴马力），而非电机输入马力。
- 目前的新电机可能是500马力级感应电机，电机效率为.94 ME。这并不具体，但数据对于准确描述压缩机轮廓是必要的。
图5:125 psig时满载压缩机的估计性能曲线
如图5所示，离心压缩机提供:
- 在430马力（x.7457=321千瓦）下125 psig时为2050立方英尺每分钟）=比功率为6.39立方英尺每千瓦
- 在345 hp（x.7457=257 kW）=5.97 cfm/kW时，在125 psig压力下调节1535 cfm警告:为一致性转换度量
但是，这些结果中存在漏洞，包括：
- icfm/acfm应为scfm
- 计算得出的压缩机轴马力换算为千瓦时是准确的，但它没有考虑任何驱动电机损失。
- ME(电机效率)是0.94 a, 6%的损失在满负荷-更大的损失在下降。
表2说明了如何将icfm/acfm转换为scfm进行比较。
表2：将icfm/acfm转换为scfm时，建立0.90的乘数
电机的输入功率
要将必和必拓(压缩机轴)转换为电机输入功率kW，请使用:
- 输入kW = (BHP)(.745) ÷ ME
- 满载时预计电机ME=0.94
- 在调低时，预计电机ME=0.92
- 预计输入功率为：
- 满载:(430 BHP) (.7457) ÷ .94 = 341输入kW
- 调节：（345 BHP）（0.7457）÷0.92=280输入功率
转换完成后，表3中的结果表明预测可能会被误解。
表3：电机输入功率结果比较
当这样的结果被误解时，它可能是故意的，也可能不是故意的。重点是在评估现有压缩机或审查几个离心式机组（以及其他类型）时，显示细节的重要性。最好了解并平衡所有各种OEM运行性能曲线，以便能够做出明智的决策。
使用离心式运行性能曲线优化与系统的匹配
与OEM供应商和他们的操作性能曲线有效地合作将有助于开发一个成功的应用程序。为了让用户向OEM供应商提供适当的数据，用户应该熟悉所呈现的信息，充分理解并要求提供重要的附加数据。
以下是您应该问的几个重要问题：
- 叶轮/扩散器在喘振点、调压、比功率满载等方面的运行特性是什么。？
- 标准叶轮/扩散器的下一组运行特性是什么，以实现更大的调节能力？（可能是更高的压力）
- 与标准进口蝶阀（IBV）相比，进口导叶（IGV）的成本和节约优势是什么？
经验教训
综上所述，本文旨在识别和解释离心性能数据背后的定义及其重要性。有了这些信息，用户可以与当地的OEM供应商和/或技术工程小组合作，以最佳方式选择和恰当地应用设备，以适应具体的现场条件。
本文改编自美国空军提供的离心训练教材。欲了解更多信息，请联系汉克·范·鲍鱼或参观www.airpowerusainc.com.
阅读更多关于空气压缩机技术，请浏览www.ghtac.com/technology/air-compressors.
